4.3.2. Las bacterias socias y enemigas de las raíces

lo que sugiere un origen común. La única rizobacteria capaz de hacer fotosíntesis y fijar nitrógeno con vida libre en el suelo es Bradyrhizobium. Todos los demás géneros de rizobios solo son capaces de fijar nitrógeno en simbiosis con la raíz. Esto sugiere que esta rizobacteria es el linaje más cercano a la forma ancestral de bacterias en el suelo. Su genoma está dividido en dos regiones. Una región (cromosoma) se expresa durante la vida libre cuando las bacterias están en el suelo. La otra región (isla simbiosis) trabaja durante las interacciones simbióticas (infección de la raíz y fijación de nitrógeno).

El ciclo de las bacterias. /// Un estudio con la caña perenne Carrizo (Phragmites australis) permitió describir el “ciclo de rizofagia” para hongos y bacterias. Consiste en dos etapas: una vida libre en el suelo y otra en el interior de las raíces. El ciclo sigue la siguiente secuencia: (1) Las plantas “cultivan” bacterias y hongos en las puntas de las raíces secretando azúcares, proteínas y vitaminas. (2) Los microbios crecen y luego entran en las células de la raíz en las puntas donde las células carecen de paredes duras. (3) Los microbios pierden sus paredes celulares y quedan atrapados en las células de las plantas. (4) Dentro son atacados por oxígeno reactivo que descompone algunas de las células microbianas extrayendo nitrógeno y nutrientes de ellas. (5) Los microbios sobrevivientes estimulan la formación de pelos radiculares en las raíces. (6) Los microbios abandonan los pelos en la punta en crecimiento y reconstruyen sus paredes celulares volviendo al ciclo en el suelo. (7) Los microbios adquieren nutrientes en el suelo y el proceso se repite. Este proceso simbiótico abierto tiene consecuencias en la lucha por los recursos del suelo, donde las plantas y microbios colaboran y compiten todos contra todos.

Las bacterias benéficas. Los bacterias fijadoras de nitrógeno se pueden considerar benéficas y se agrupan en seis géneros, donde algunas son dominantes (Rhizobium y Bradyrhizobium). /// Cuando la hierba Arabidopsis es atacada por herbívoros secreta el compuesto malato en las raíces que recluta bacterias benéficas (Bacillus subtilis). Las bacterias producen una proteína antibiótica que suprime la respuesta defensiva de la raíz. Esto facilita el reclutamiento de bacterias adicionales, las que impulsarán el sistema inmune de la planta. /// Una bacteria (Burkholderia gladioli) vive en simbiosis con un escarabajo herbívoro (Lagria villosa) que se alimenta de las plantas. Las bacterias generan un antibiótico que protege los huevos de los escarabajos de los hongos perjudiciales. Los huevos quedan en el suelo húmedo debajo de la hojarasca donde se encuentran con hongos de moho. Los estudios encontraron cuatro antibióticos diferentes y activos contra hongos o bacterias.

Las bacterias benéficas en agricultura. En la agricultura las bacterias proveen el 65 % del nitrógeno para los cultivos globales. Se incorporan externamente a las semillas mediante inoculantes (concentrado de bacterias). En Argentina se usan desde hace 30 años para soja, trigo y maíz, con dos especies dominantes (Azospirillum brasilense y Bradyrhizobium japonicum). Los rizobios (microbios de las raíces) promueven el crecimiento porque sintetizan sustancias (giberelinas, citocininas y auxinas) que estimulan la densidad y longitud de los pelos radiculares

432. Los nódulos de bacterias se forman en las raíces y generan una relación de intercambio mutuo donde se comercia carbono (de las plantas) por nitrógeno (de las bacterias).

de las raíces. Esto permite que las plantas sean más vigorosas, productivas y tolerantes a las condiciones climáticas adversas (heladas o sequías). /// Un experimento con la hierba Almorejo (Setaria viridis) mostró que el nitrógeno fue aportado por las bacterias (A. brasilense) asociadas a la superficie de la raíz. Se trabajó con 30 genotipos de la hierba, y con 3 cepas de bacterias. Se germinaron las semillas e inocularon con una solución bacteriana. Luego se trasplantaron en un suelo sin nutrientes por lo que la única fuente de nitrógeno eran las bacterias. Las plantas fueron expuestas a isótopos radiactivos N-13 cuya vida media es muy corta (10 minutos) y se siguió el ritmo de fijación y absorción concluyendo que el nitrógeno absorbido provenía de las bacterias. /// Una bacteria famosa es Bacillus thuringiensis (Bt) porque es usada como un bioplaguicida contra insectos. Diferentes cepas de esta bacteria tienen mejores resultados en diferentes insectos. Los agricultores orgánicos espolvorean o pulverizan Bt sobre los cultivos y lo consideran un insecticida natural. En la agricultura transgénica, parte del ADN de Bt se inserta en el genoma de las plantas, creando organismos genéticamente modificados GMO que producen su propio pesticida.

El caso de Pseudomonas. Este género de bacterias benéficas influye en forma indirecta en la producción de fitohormonas. Es agente de biocontrol de fitopatógenos (bacterias, hongos, nematodos y virus); interviene en la liberación de fosfatos y micronutrientes (vuelven solubles los nutrientes para que sean absorbidos por las raíces) y participa en la fijación biológica de nitrógeno. Que la influencia sea indirecta se refiere a que modifica el ambiente de la rizósfera y su ecología, mediante la liberación de sustancias. /// Las plántulas de maíz y otras hierbas secretan moléculas de BX (benzoxazinoide) para protegerse de microbios dañinos. Un estudio encontró que el máximo de secreción de BX ocurre a la semana de edad, en la etapa más vulnerable de crecimiento de la planta. Pero el compuesto BX no afecta a la bacteria Pseudomonas pudica que es una excelente colonizadora de raíces. Se midió que BX se descompone más rápido, lo que sugiere que la bacteria inter-

viene en el proceso. Cuando se estudió el genoma de la bacteria se encontraron varios genes ligados con el movimiento orientado por químicos (quimiotaxis). Así que estas bacterias se mueven hacia las raíces que liberan la toxina BX. Se generaron mutantes de maíz que no producen BX, lo que atrajo menos bacterias. Estas bacterias amigables mantienen alejadas a las bacterias dañinas expulsándolas y produciendo compuestos antibióticos. /// Otra bacteria que coloniza las raíces es Pseudomonas fluorescens. Pueden cambiar la concentración de hormonas ligadas al estrés en el tejido vegetal, la cantidad de clorofila en las hojas, y la cantidad de biomasa producida. Un estudio expuso a colonias de estas bacterias a varios nutrientes de azufre (hay cientos de compuestos de azufre en el suelo). Las bacterias no tienen sensores para cada tipo de compuesto, pero necesitan información para generar una respuesta metabólica adecuada. El trabajo mostró la selectividad porque diferentes nutrientes producían la expresión de diferentes genes y formas de crecimiento. /// La especie Pseudomonas luteola es patógena. La planta Crisantemo (Artemisia vulgaris) produce un polen que desencadena la fiebre del heno si lleva endotoxinas de esta especie de bacteria. Son compuestos químicos encontrados en la superficie de la bacteria y que también se liberan cuando mueren. El polen puede llevar esas endotoxinas y propagarlas por el ambiente.

Las bacterias simbiontes. Hay al menos tres microbiomas en el entorno a las raíces: la interfaz raíz-suelo (rizósfera), la superficie de la raíz (rizoplano), y el interior de la raíz (endósfera). Un factor clave en el microbioma son los compuestos orgánicos liberados por las raíces (rizodeposición). La cantidad y composición dependen de la planta y la etapa de desarrollo, pero puede representar hasta el 11 % del carbono fotosintetizado y del 10-16 % del nitrógeno total de la planta. Esto es un indicador de la inversión que hace la planta en la rizósfera. Para acomodar las bacterias, las raíces generan órganos especiales (nódulos) donde las bacterias viven y fijan el nitrógeno atmosférico y los ponen a disposición de la planta. /// En una leguminosa silvestre (Lotus japonicus) se encontró que los nódulos están poblados por varias especies de bacterias en forma simultánea. Cuando no hay simbiosis las bacterias son indetectables en la raíz y se las encuentra en la rizósfera externa. Cuando se forma la simbiosis es posible que las mismas señales atraigan a estas bacterias y a otras, formando un séquito. /// Un estudio recolectó suelo de diferentes lugares y lo usó para cultivar la hierba Arabidopsis. Luego se analizó el ecosistema bacteriano en el suelo y en las raíces. En todas las muestras del suelo la planta entabló relaciones con bacterias genéricas. Pero también había bacterias específicas de cada suelo y se atribuyó a que cumplen funciones iguales en suelos distintos. /// Algunas bacterias simbiontes con las raíces también lo son de hormigas herbívoras. La herbivoría en las hormigas surgió varias veces y en al menos cinco linajes se formó una simbiosis con bacterias (p.e., Rhizobium). Un estudio analizó la genética molecular de las bacterias en 283 especies de hormigas herbívoras. La separación entre hormigas carnívoras y herbívoras se puede determinar midiendo la relación entre isótopos de nitrógeno (N-15/N-14) en los tejidos de las hormigas. Se comprobó que las bacterias del orden Rhizobiales, que se asocian a las raíces, tienden a estar presentes en las entrañas de las hormigas herbívoras, pero no de las carnívoras.

El caso de las leguminosas arbóreas. En general, las plantas leguminosas se distinguen porque empaquetan bacterias simbion-

tes dentro de las semillas. De esta forma, cuando las semillas germinan, la colonización por parte de las bacterias es más rápida. /// Un estudio esterilizó frijoles Mungo (Vigna radiata) y se aisló una cepa única de bacterias (Bacillus pumilus). Esta bacteria estaba empaquetada dentro de la semilla y fue capaz de colonizar la planta de frijol sin causar ningún daño. En su genoma se encontraron tres grupos de genes que producen antibióticos de corto espectro (bacteriocinas). /// Las leguminosas arbóreas presentan un caso interesante de prosperidad. En los suelos tropicales ricos en nitrógeno prosperan mejor que en los suelos pobres en nitrógeno (bosques boreales o templados). A primera vista, los suelos con poco nitrógeno deberían ser favorables para quienes producen su propia ración, pero es al revés. La razón se encuentra en los costos derivados de la temperatura y la disponibilidad de fósforo. La fijación del nitrógeno requiere la enzima nitrogenasa, disponible solo en algunas bacterias. La nitrogenasa entrega el 60-80 % de la fijación biológica de nitrógeno global. La fijación es costosa para las plantas porque deben sostener a una población de bacterias en los nódulos, por lo que la simbiosis se inhibe si existe exceso de nitrato o amonio en el suelo. La temperatura influye en la actividad de la nitrogenasa, de forma que en climas fríos se necesita más cantidad de enzimas para la misma cantidad de nitrógeno. En suelos fríos el costo de sostener la población de bacterias puede ser igual al nitrógeno obtenido; un mal negocio para la planta. Otro problema es el agotamiento de fósforo en los suelos forestales lo que limita la productividad. La relación entre ambas limitaciones explica en parte la distribución de las leguminosas en las zonas cálidas.

Las bacterias patógenas. El microbioma de las raíces (bacterias y hongos) forma un ambiente de cooperación y traición. /// Una bacteria del suelo (Ralstonia solanacearum) causa una enfermedad destructiva en la papa, tomate y plátano. Cuando detecta una raíz ingresa por las aberturas naturales, se multiplica y obstruye el sistema vascular causando el marchitamiento y muerte de la planta. Un estudio encontró que las células en la planta de arvejas y guisantes liberan ADN extracelular y proteínas histonas que forman una trampa pegajosa para estas bacterias. Se constató que el 25 % de las bacterias enredadas murieron en las trampas. Esta actividad antibacteriana no ocurría en las raíces infectadas por bacterias inofensivas. Se encontró también que el apéndice que impulsa a las bacterias (flagelo) era reconocido por la raíz y activaba las defensas (modelo efector-elicitor). /// En una rizósfera donde las especies usan recursos distintos, hay poco lugar para especies invasoras o patógenas. Un estudio construyó 95 comunidades microbianas de hasta ocho cepas de bacterias benéficas (P. fluorescens). Luego se las expuso a una especie bacteriana invasora (Serratia liquefaciens) para seguir la reacción del ecosistema. Después de 36 horas la especie invasora se impuso en las comunidades genéticamente similares, pero no pudo afianzarse en comunidades con alta diversidad genética. Las comunidades con 4 a 6 cepas pudieron evitar la invasión. Las más susceptibles fueron las que tenían el máximo de (8) cepas bacterianas, y se cree que es por la variedad de toxinas producidas en el entorno. /// Un género bacteriano (Burkholderia) incluye especies benéficas y otras patógenas que causan enfermedades. Una especie (B. pseudomallei) está incluida en la lista como un posible agente bioterrorista porque causa una enfermedad en los pulmones (melioidosis). Una parte del trabajo científico es probar que las bacterias que hacen cosas deseables (fijar ni-

trógeno) no sean patógenas a la vez. Una forma es buscar los genes patógenos en el genoma y otra es experimentar con un gusano nematodo (Caenorhabditis elegans) para comprobar su resistencia. Este nematodo es uno de los organismos modelos del laboratorio porque es simple, fácil de alimentar, su ciclo de vida es de 2-3 semanas, es transparente, hermafrodita y manejable genéticamente.

El caso de Arabidopsis. /// Estas plantas tienen receptores en la membrana que reconocen fragmentos de patógenos. Esto activa a los genes inmunitarios, reforzando la pared celular y liberando antibióticos genéricos. Un posible ataque de las bacterias consiste en agregar grupos acetilo a las moléculas de defensa de la planta lo que las inactiva. Este proceso de “acetilación” también obligó a las plantas a tener medidas adicionales. Una respuesta adicional es la muerte celular localizada que ocurre en las zonas donde se detectan proteínas patógenas. Es una defensa extrema. /// Un trabajo con bacterias patógenas analizó el efecto de la Coronatina, una sustancia que interfiere con el ácido jasmónico de las defensas de Arabidopsis. Como resultado se interfiere la respuesta inmune, se disminuye la producción de una proteína (MYC2) que combate la enfermedad y la planta se vuelve susceptible al patógeno. Se observó que la planta utiliza también la proteína Feronia para detectar la coronatina. La feronia es una proteína receptora de las células vegetales y que participa de la respuesta al estrés. /// Arabidopsis tiene cierta selectividad con las bacterias que se asocia. En particular atraen a algunas (Actinobacteria y Firmicutes) mientras repelen a otras (Acidobacteria, Bacteroidetes y Verrucomicrobia). Un estudio generó plantas que no producían fitohormonas defensivas (ácido salicílico, ácido jasmónico y etileno). El ácido salicílico combate las infecciones bacterianas en las hojas y ayuda a seleccionar las bacterias que colonizan sus raíces. Las plantas de Arabidopsis sin bacterias asociadas estaban debilitadas y sensibles a las infecciones. Sin el microbioma, los genes ligados a la respuesta inmune en las hojas se activaron menos. Parece que las bacterias activan al sistema inmune y hacen que trabaje en forma normal.

Cooperar o traicionar. /// Un estudio encontró que hay interacciones entre bacterias que no son abiertas (células libres) y aleatorias (indistinguibles). En cambio, se encontró que se conectan mediante nanotubos por donde intercambian aminoácidos. Si esta conexión entre bacterias resultara ser frecuente se trataría de una cooperación basada en la reciprocidad (comercio entre bacterias en lugar de piratería). Las bacterias en las raíces tienen relaciones con poco margen para el engaño, ya que una parte no puede entregar sin el aporte de la otra. Una posible forma de traicionar sería acumular recursos para el uso futuro, pero las plantas también reaccionan. /// Si las bacterias de un nódulo de raíz dejan de fijar nitrógeno, la planta puede cerrar el suministro de oxígeno a ese nódulo. Un ensayo en laboratorio encerró un área de nódulos de la raíz en leguminosas en su propia rizósfera. Luego se llenó el espacio con argón y se eliminó el nitrógeno, de forma que se condenaba a las bacterias a la escasez. Esto simulaba un ambiente con bacterias que traicionaban la simbiosis. Las plantas cambiaron la permeabilidad de los nódulos y redujeron el suministro de oxígeno a las bacterias. Sin oxígeno, la tasa de reproducción de las bacterias cayó a la mitad. De la misma forma se encontró que las plantas suministran menos carbono a los hongos micorrízicos que entregan menos fósforo. Estas “sanciones” permiten favorecer a los